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磁粉离合器的电解电容卷绕张力系统
来源: 点击数:2840次 更新时间:2022/1/6 21:21:59
磁粉离合器的电解电容卷绕张力系统研究
( 1 贵 州大学大数据与信息工程学院,贵阳 550025 ; 2 贵 州民族大学机械电子工程学院,贵阳 550025 ;
3 贵 州省光电子技术及应用重点实验室,贵阳 550025 )

摘 要: 针对电解电容芯包卷绕过程中锥度张力控制问题, 在详细分析卷绕过程中导致张力实时变化的因素的基础上,对磁粉离合器进行数学建模并研究相应的控制算法,设计实现了 一种基于磁粉离合器的锥度卷绕控制系统。为满足  系统对数学模型的较高要求及解决磁粉离合器在控制中存在纯滞后的问题,利用 Simulink 仿真工具建立: PID 与 S mith 预估补偿控制。仿真结果表明在基于磁粉离合器的卷绕锥度张力控制系统中,使用: PID 与 S mith 预估补偿控制可实现理想的控制效果。
关键词: 磁粉离合器;锥度张力控制;: PID; Smith 预估补偿
Research on Electrolytic Capacitor Winding Tension System Based on Magnetic Powder Clutch
ZHANG  Xueheng1,  ZHAO  Qi2,  WU Tianfe ng1·3  ,  Z  H  OU  Hua1
(1 . College of Big Data 卢 Informal幻n En护neering, Gu叫hou University, Guiy血 g 550025, China;
2. School of Mechatronics En,驴neering, Gu巳hou Minzu University,Guiyang 550025, China;
3. Guizhou Key Laboratory of Optoelectron 比 Technology 叩 d Application, Guiyang 550025, China)

Abstract:  Aiming at  the  taper  tension control  problem  in  the  winding p:   oc e ss   of electrolytic  capacitor core, based on the detailed analysis of the factors that lead to  the  real - time  change  of  te nsion  in  the winding process, the mathematical model of magne tic powder clutch is established and the conesponding control algorithm is studied, and a taper winding control system based on magnetic  powder  clutch  is  designed and implemented. In order to meet the high requirements  of  the  system for  mathematical  model and solve the problem of pure lag in the control of  magnetic  powder  clutch,  fuzzy  PID  and  Smith  predictive compensation control are established by using Simulink simulation tools. The simulation results show that in the winding taper tension control system based on  magnetic  powder  cl utch,  fuzzy PID  and Smith predictive compensation control can achieve ideal control effec t.
Key words: Magnetic powder clutch;Taper tension control; Fuzzy PID;Smith predictive compensation
1 弓l
在 薄 膜 材 料 卷 绕 产 业 中 ,张力 控 制 是 最 关 键 的技 术 之 一 。 卷 绕 过 程 中 ,卷绕 材 料 张 力 过 大 在 纵 向上 容易 造 成 褶皱,形成 菊 花 状 ,甚 至 会 使 材 料 断 裂 ; 张 力 过 小 在 横 向 上 容 易 跑 偏 ,发生 抽 芯 现 象 。 而 对于 电 解 电 容 的 芯 包 这 一 特 殊 的 结 构 ,要 求 芯 包 呈 现内紧外松的形态,故在卷绕过程中要求采取锥度卷   绕的方式, 即 卷 绕 张 力 随 卷 绕 半 径 的 变 化 而 变 化 。
 
通 过 控 制 卷 绕 系 统 执行 机 构 的 扭 矩 是 一 个 很 好 的 改变卷绕张力的方法,而磁粉离合器正是通过控制励   磁电流来实现扭矩改变,且磁粉离合器的输入与输   出为线性关系,因 此 这 一 方 法 在 卷 绕 系 统 的 执行 机构 中 有 广 泛 的 应 用 。 但 是 磁 粉 离 合 器 是 以 磁 粉 材 料为工作介质的,磁粉材料的磁滞效应会降低系统的   响应时间。针对此问题,在此 提 出 基 于 模 糊 P I D 与Smith 预估补偿控制机制的改进方法,并以 S i mulink进行仿真分析。
 
2、锥度张力分析
电解电容芯包卷绕系统由张力控制器、张力传
感器卷径检测传感器、磁粉离合器、功率放大器、牵引棍及驱动棍组成叽 其控制系统机构如图 1 所示。改进设计采用直接张力检测方式,通过 卷 径 检测传感器计算卷绕实时卷径,通过张力控制器中的锥度张力卷绕数学模型计算当前的张力,再把 此 张力设为卷绕系统期望值,并把由张力传感器测得卷绕的实际张力值作为反馈值,使得张力控制形成闭环,最终通过磁粉离合器控制驱动棍的扭矩,实现锥度张力控制叽
在电解电容芯包制造过程中要采取变张力,也就是锥度张力的方式进行卷绕。卷绕过程运动模型如图 2 所示。
图中 机 为卷绕动作的制动转矩 ,Mr 为 摩 擦 阻力 转 矩 ,凡 为 卷 绕 的 实 时 半 径 ,Q 为 空间角速度,F为 材 料 所 受 张 力 。 由 此 卷 绕 机 构 力 矩 平 衡 方 程 为 :
其 中 ,J 是 收 卷 机 构 的 等 效 转 动 惯量,由卷 筒 、隔膜材 料 驱 动 轴 三 部 分 组 成 ,其具 体 计 算 公 式 为 :
J =JRI +JR2 + J r =
— p 加 ( Rt - r4) + — P2  加 ( R; 式)+ Jr (2)
其中,f R1 为卷绕轴芯的转动 惯量,如为 卷 绕 材 料 的转动惯量 ,j  为 驱 动 轴 的 转 动 惯量 ,P t 为 卷 绕 轴 芯 密度 ,P2 为 材 料 密 度 ,b 为材料宽度。 由磁粉离合器可知], 今为  定  值  ,又由式(2)可知,卷绕 轴 芯 的 转 动 惯量  l Rt 也 为 一 个 定 值 ,由此 可得:

式 (5)即为卷绕过程中材料张力的动力学模型。由此可知,材料张力主要受到动态参数卷绕卷径凡和卷   绕速度 凡的影响,且卷 绕 线 速 度 为 v2 = 2兀凡n , n 即为驱动轴的转速,当此转速不变时,凡即随时间增大,张力 F 也 就 随 之 改 变 。 故 此 ,为确 保 铝 电 解 电 容芯 包 的 卷 绕 质 量 ,在 卷 绕 过 程 采 取 锥 度 张力 方 式 是必 要 的 。


3磁粉制动器原理及数学模型
在本系统中选用的锥度张力执行机构为磁粉离   合器。磁粉离合器在制动扭矩的过程中,由 于 发 热 间题 ,会导 致 其 参 数 随 时 间 变 化 ,故要 对 磁 粉 离 合 器 进行 数 学 建 模 分 析 , 且 磁 粉 离 合 器 的 数 学 模 型 传 递 函数 是 系 统 仿 真 必 需 的 参 数 3
大部分 Smith 预测补偿系统中的控制系统是传统的 PID 控 制 ,需 要 精 确 的 数 学 模 型 ,而基 于 磁 离合 器 的 张 力 控 制 系 统 是 时 变 系 统 ,难 以 得 到 准 确 的数 学 模 型 ,所 以 传 统 的 Smith 控制系统不 能满足该时变系统的要求。
4.2: P ID 控制
4.2.1:刂乒嬖
:刂剖歉菪丛诳刂破 CPU 里的规则表, 通 过 自 身 学 习 和 组 织 的 功 能 , 利 用 特 定 的 语 言 变 量建立映射关系,完成:评,并将结果输出到控制 器( 4-6]。规则表是系统的偏差值、偏差变化量和系统输出之间的映射。:刂破饔赡:、知识库(:卣蟊恚、糊模推理、清晰化四部分组成。完整的:刂屏鞒棠:嬖虮硎悄:刂 PID 的 核 心 ,作为 控 制规 则 写 入 控 制 算 法 中 。 模 糊 控 制 表 一 般 是 通 过 系 统误 差 e 的一阶闭环曲线进行分析,如 表 1 所 示 即 为本 系 统 的 模 糊 规 则 表 。
4.2.2模 糊 PID
: PID 控 制 是 20 世 纪 后 期 出 现 的 一 种 自适应调节算法, 在 其 使 用 过 程 中 无 需 依 靠 准 确 的 数 学模 型 ,只需 一 个“模 糊 模 型 ”就 能 达 到 良 好 控 制 效 果 。它是解决由于各种参数变化而导致时变、非线性系    统的非常有效的方法。: PID控制
:刂破魑绞淙肴涑鱿低,输入 为 误 差值 和 误 差 变 化 率 ,输出 信 号 则 为 根 据 现 场 环 境 自调整的三个参数L\KP  .._L\K, i L\Kd  oPID控制器结构里的比例系数 Kr、积分 系 数 K;、微 分 系 数 凡 分 别 由 初 始 设定 值 k 伽凡、凡和:刂剖涑龅娜霾问槌, 从 而 实 现 模 糊 P ID 复合控制器参数的自适应调整, 最 终 会 输出目标张力值[ 7一9]   ,  实现对离合器的扭矩控制。
5.仿真分析
根据电子拉力计在国标 GB/T 1040- 92 测得的应力与应变关系,本 系 统 采 用 的 磁 粉 离 合 器 额定扭矩为 2 Nm。 励磁电流为 0.55 A;铝电解电容卷绕材料的锥度张力应在 3 N~8 N 之 间 变 化 。 根 据磁 粉离合 器 的 使 用 手 册 得 知 时 间 常 数 为 1.5s, 滞后时间为
仿真结果如图 9 所示。图 9(a)为传统 PID 控制系统阶跃响应 ,其动 态 指 标 具 体 为:延 迟 时 间 td= 0.3
s, 上升时间 t,.= 0.5 s, 峰值时间 tr= 0.7 s , 最大超调量 a %= 10.8%, 调节时间 1.5 s , 振荡次数 N= 4 , 系统运行中出现了失调现象。图 9(b)为 Smith  预估补偿: PID 控制模型 ,其动 态 指 标 为:延 迟 时 间 t d= 2.3 S上升时间 tr= 0.4s , 峰值时间 tp = 0.5 s, 最大超调量a %= 10.5% , 调节时间 0.9s, 振荡次数 N= l , 系统运行中无失调现象发生。通过各项数据对比,Smith 预估补偿: PID 控制系统性能明显优于传统 PID 控制,能够 达到预期控制效果。
6.结束语
从电解电容芯包卷绕运动情况入手,在建立其卷绕动力学模型的基础上,设计了基于磁粉离合器 的锥度张力卷绕系统。为了改善磁粉离合器的纯滞后和系统时变的非线性间题 , 采用Smith 补偿控制和: PID 控制两种方式,搭建各自的数学模型在Simulink 中进行系统仿真进行对比。仿真表明系统具有稳定的性能和快速的响应。本设计已被应用于某个电解电容器制造商的相关产品中。

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